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酸化膜を有するSiナノ構造中のフォノンおよびキャリアの挙動に関する計算科学的研究

Research Project

Project/Area Number 13J05632
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Research Field Electron device/Electronic equipment
Research InstitutionWaseda University

Principal Investigator

図師 知文  早稲田大学, 理工学術院, 特別研究員(DC2)

Project Period (FY) 2013-04-01 – 2015-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2014)
Budget Amount *help
¥2,200,000 (Direct Cost: ¥2,200,000)
Fiscal Year 2014: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000)
Fiscal Year 2013: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000)
KeywordsSiナノワイヤ / 熱伝導率 / 分子動力学 / フォノン / Si/SiO2界面 / キャリア / 分子動力学法 / 非平衡グリーン関数法 / 酸化絶縁膜 / SiO_2/Si界面
Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、酸化絶縁(SiO2)膜の存在がSiナノ構造中のフォノンとキャリアの振る舞いに及ぼす影響を原子レベルで明らかにし、熱の振る舞いを配慮したデバイス性能向上のための設計指針見を得ることである。昨年度までに、SiO2膜に覆われたSiナノ結晶のフォノン・エネルギー分散関係を明らかにし、酸化誘起の界面ラフネスが電気伝導に与える影響を明確にしている。本年度は、κ低下の本質的な起源を調査するため、分子動力学(MD)法を用いて酸化被膜型SiNWのエネルギー分散とκを解析した。そして、その相関からκ低下の物理的起源を原子レベルで解明した。
κの酸化膜厚依存性を解析したところ、SiNWのκはSiO2膜厚の増加とともに低下ことが分かった。また、MD計算で得られたκの低下は、断面を占めるSiとSiO2の断面積比では単純に説明することができないことが分かった。そこでκとフォノンのエネルギー分散関係の関連を調べたところ、SiO2膜によって誘起される無秩序な振動状態の強度とκの低下量との間には強い相関があることが明らかになった。無秩序な振動状態は、SiO2/Si界面近傍に存在する格子配置の乱れたSi原子の振動成分であると考えられる。
酸化誘起の振動状態がκに与える影響をさらに明確にするため、音響フォノンの状態密度(VDOS)とκの相関をさらに解析したところ、κ低下はVDOSの面積よりも新奇に発現した無秩序な振動状態の強度と強い相関をもつことが判明した。これらの解析結果は、結晶構造の乱れ、特にSiO2/Si界面付近の格子配置の乱れが、低エネルギーの振動状態を無秩序に誘起し、それがκの特殊な振る舞いの物理的起源になっていることを意味している。
本研究は、次世代Siナノデバイスの性能を最適化するためにはまずSiナノ結晶の結晶性を把握することが必須であるという工学応用上重要な知見を提供している。

Research Progress Status

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(2 results)
  • 2014 Annual Research Report
  • 2013 Annual Research Report
  • Research Products

    (8 results)

All 2015 2014

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results,  Acknowledgement Compliant: 1 results) Presentation (6 results) (of which Invited: 1 results)

  • [Journal Article] Effect of a SiO2 layer on the thermal transport properties of <100> Si nanowires: A molecular dynamics study2015

    • Author(s)
      T. Zushi, K. Ohmori, K. Yamada, and T. Watanabe
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 91 Issue: 11

    • DOI

      10.1103/physrevb.91.115308

    • Related Report
      2014 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Phonon Dispersion in<100>Si Nanowire Covered with SiO_2 Film Calculated by Molecular Dynamics Simulalion2014

    • Author(s)
      T. Zushi, K. Shimura, M. Tomita, K. Ohmori, K. Yamada, and T. Watanabe
    • Journal Title

      Journal of Solid State Science and Technology

      Volume: 5 Issue: 5 Pages: 149-154

    • DOI

      10.1149/2.010405jss

    • Related Report
      2013 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 酸化被膜型Siナノワイヤにおける熱伝導率低下の起源に関する原子論的考察2015

    • Author(s)
      図師知文, 大毛利健治, 山田啓作, 渡邉孝信
    • Organizer
      第62回応用物理学会春季学術講演会
    • Place of Presentation
      日本, 神奈川県, 平塚
    • Year and Date
      2015-03-11 – 2015-03-14
    • Related Report
      2014 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 酸化被膜型Siナノワイヤにおける熱伝導率低下の起源に関する考察2014

    • Author(s)
      図師知文, 大毛利健治, 山田啓作, 渡邉孝信
    • Organizer
      第75回応用物理学会秋季学術講演会
    • Place of Presentation
      日本, 北海道, 札幌
    • Year and Date
      2014-09-17 – 2014-09-20
    • Related Report
      2014 Annual Research Report
  • [Presentation] Thermal Transport Properties of Si Nanowire Covered with SiO2 Layer: A Molecular Dynamics Study2014

    • Author(s)
      T. Zushi, K. Ohmori, K. Yamada, and T. Watanabe
    • Organizer
      International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM)
    • Place of Presentation
      Tsukuba, Ibaraki, Japan
    • Year and Date
      2014-09-09 – 2014-09-11
    • Related Report
      2014 Annual Research Report
  • [Presentation] A Simulation Study of Thermoelectric Properties of Silicon Nanotubes2014

    • Author(s)
      T. Zushi. A. Cresti, and M. Pala
    • Organizer
      The 5th NIMS/MANA-Waseda University International Symposium
    • Place of Presentation
      茨城県つくば市 物質材料研究機構
    • Year and Date
      2014-03-24
    • Related Report
      2013 Annual Research Report
  • [Presentation] 酸化膜に覆われたナノワイヤ型Si結晶のフォノン分散関係に格子歪が及ぼす影響2014

    • Author(s)
      図師知文, 志村昴亮, 大毛利健治, 山田啓作, 渡邉孝信
    • Organizer
      ゲートスタック研究会-材料・プロセス・評価の物理・(第19回)
    • Place of Presentation
      静岡県熱海市ニューウェルシティ湯河原
    • Related Report
      2013 Annual Research Report
  • [Presentation] Impact of Surface Roughness on Thermoelectric Properties of Silicon Nanotubes2014

    • Author(s)
      T. Zushi, A. Cresti, and M. Pala, K. Yamada, and T. Watanabe
    • Organizer
      応用物理学会春季学術講演会
    • Place of Presentation
      東京都町田市 青山学院大学
    • Related Report
      2013 Annual Research Report

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Published: 2014-01-29   Modified: 2024-03-26  

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